[发明专利]一种铁素体耐热钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁素体耐热钢及其制造方法，特别是涉及在超过600℃的高温下具有良好的抗氧化性能，良好的时效冲击性能，而且具有极好的高温强度的铁素体系耐热钢及其制造方法。

背景技术

近年来，以发电用的锅炉及汽轮机为代表的原子能发电设备、化学工业装置等为了能在高温高压下长时间使用，对于材料的高温性能要求越来越高。铁素体系耐热钢与奥氏体系耐热钢相比，因为价格便宜，热膨胀率低，耐热疲劳性能好，所以多用于高温用部件中。随着使用环境恶劣程度的加深，对于耐热钢的使用性能、特别是对于高温强度和抗氧化能力的要求更加严格。为此，提高Cr含量至10％-13％，从而提高材料抗氧化能力，但其组织会出现较大量的δ铁素体，δ铁素体对于材料的高温蠕变强度和韧性有较大影响。目前铁素体耐热钢主要钢种有T/P91、T/P92、T/P911、T/P122等钢种，所述钢材中T/P91、T/P92、T/P911含有9％Cr并且它们的一些使用者认为这种Cr含量不足以抵抗热氧化和/或超过600℃的蒸汽腐蚀。通过提高其Cr含量到12％Cr的方式，如T/P122，以改进T92/P92钢的耐热氧化性不足是有利的。但是这种提高可能碰到在结构中出现大量δ铁素体的问题，有害于钢的刚性和高温持久强度。目前很多研究机构将提高10～13％Cr铁素体耐热钢的高温蠕变强度聚焦于添加奥氏体元素如C、Ni、Co、Cu等，从而抑制δ铁素体的形成。

现有技术中有记载10-13％Cr铁素体耐热钢的专利文献，如公开号为JP09013150A的日本专利申请公开了一种铁素体耐热钢，其化学成分要求为：C：0.05-0.18％，Si：0.1-0.5％，Mn≤0.2％，S≤0.005％，Cu：0.5-3％，Ni：0.05-1％，Cr：10.0-13.0％，(Mo+W/2)：0.5-3.0％，V：0.1-0.5％，Nb：0.05-0.25％，B：0.001-0.02％，Al：0.003-0.04％以及N：0.04-0.15％，还可以含有Co，Ti，Ca，Mg以及稀土等元素，其添加Ni使得钢的Ac1转变点下降，将限制回火温度的提高，这对于提高高温长时间的持久强度不利，同时锰元素能促使脱氧并固定硫，过分降低Mn的含量将降低材料的冲击韧性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铁素体耐热钢，这种钢在超过600℃的高温下具有良好的抗氧化性能，良好的时效冲击性能，而且具有极好的高温强度。

为解决上述问题，本发明的铁素体耐热钢，其按重量百分比计的化学成分为：C：0.05～0.15％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.25～1.0％，Cr：10.0～13.0％，Mo：0.10～1.0％，V：0.10～0.50％，Nb：0.01～0.10％，W：0.50～3.0％，Co：0.50～3.0％，Cu：0.10～1.0％，B：0.001～0.008％，N：0.04～0.12％，稀土元素：0.005～0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。

为了使冶炼过程更加稳定，优选地，稀土元素为0.005～0.1％。

对于本发明的铁素体耐热钢，各个元素和含量的选择理由如下：

碳：在高温下，特别是在金属产品的热制过程中或在最终热处理中的奥氏体化过程中，所述碳元素稳定奥氏体并且结果倾向于减少δ铁素体的形成。同时，碳是以碳化物或碳氮化物的形式存在，它们的分布对材料的性能起作用。小于0.05％的C含量将导致获得含有大量δ铁素体的结构，大于0.15％的C含量有害于该钢的可焊性。因此在本发明中控制碳元素含量为0.05～0.15％。

硅：硅元素是使液态钢脱氧并且也限制因空气或蒸汽引起的热氧化的动力学的元素，特别地依照本发明人认为其和铬含量有协同作用。小于0.10％的Si含量不足以产生所述效果。相反地，Si为铁素体形成元素，为了避免δ铁素体的形成其必须受限制；并且其还倾向于促使工作中的脆化相沉积，其上限含量限制在0.50％。因此，本发明中控制硅含量为0.10～0.50％。

锰：锰元素能促使脱氧并固定硫，有利于提高材料的冲击韧性，同时添加Mn可以减少δ铁素体的形成。然而，小于0.25％，其作用不明显，超过1.0％时，其降低耐蠕变断裂性。因此，本发明中锰含量控制在0.25～1.0％。

铬：该元素同时溶解于钢基体并以碳化物的形式沉积。对热氧化性能来说，最小10.0％的Cr含量是必须的。由于铬的铁素体形成特性，大于13.0％的含量使得难以避免δ铁素体的大量出现。因此，本发明中控制铬含量为10.0～13.0％。